При решении задач сопромата внешними силами, или нагрузками, называются силы взаимодействия рассматриваемого элемента конструкции со связанными с ним телами. Если внешние силы являются результатом непосредственного, контактного взаимодействия данного тела с другими телами, то они приложены только к точкам поверхности тела в месте контакта и называются поверхностными силами. Поверхностные силы могут быть непрерывно распределены по всей поверхности тела или ее части. Величина нагрузки, приходящаяся на единицу площади, называется интенсивностью нагрузки, обозначается обычно буквой р и имеет размерность Н/м2, кН/м2, МН/м2 (ГОСТ 8 417—81). Допускается применение обозначения Па (паскаль), кПа, МПа; 1 Па = 1 Н/м2.
Поверхностная нагрузка, приведенная к главной плоскости , т. е. нагрузка, распределенная по линии, называется погонной нагрузкой, обозначается обычно буквой q и имеет размерность Н/м, кН/м, МН/м. Изменение q по длине обычно показывают в виде эпюры (графика).
В случае равномерно распределенной нагрузки эпюра q прямоугольная. При действии гидростатического давления эпюра q треугольная.
Равнодействующая распределенной нагрузки численно равна площади эпюры и приложена в ее центре тяжести. Если нагрузка распределена на небольшой части поверхности тела, то ее всегда заменяют равнодействующей, называемой сосредоточенной силой Р (Н, кН).
Встречаются нагрузки, которые могут быть представлены в виде сосредоточенного момента (пары). Моменты М (Н·м или кН·м) обозначают обычно одним из двух способов, или в виде вектора, перпендикулярного к плоскости действия пары. В отличие от вектора силы вектор момента изображают в виде двух стрелок или волнистой линией. Вектор момента обычно принято считать правовинтовым.
Силы, не являющиеся результатом контакта двух тел, а приложенные к каждой точке объема занятого тела (собственный вес, силы инерции), называются объемными или массовыми силами.
В зависимости от характера приложения сил во времени различают нагрузки статические и динамические. Нагрузки считается статической, если она сравнительно медленно и плавно (хотя бы в течение нескольких секунд) возрастает от нуля до своего конечного значения, я затем остается неизменной. При этом можно пренебречь ускорениями деформируемых масс, в следовательно, и силами инерции.
Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускорениями как деформируемого тела, так н взаимодействующих с ним тел. Возникающими при этом силами инерции пренебречь нельзя. Динамические нагрузки делятся из мгновенно приложенные, ударные в повторнопеременные.
Мгновенно приложенная нагрузка возрастает от нуля до максимума в течение долей секунды. Такие нагрузки возникают при воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорании, при трогании с места железнодорожного состава.
Ударная нагрузка характерна тем, что в момент ее приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определенной кинетической энергией. Такая нагрузка возникает, например, при забивке свай с помощью копра, в элементах кузнечного молота.
Повторно-переменная нагрузка характерна своей периодичностью. Такие нагрузки испытывают при работе штоки, валы, оси железнодорожных вагонов, колеблющиеся элементы конструкция и др.
При решении задач сопромата под сложным сопротивлением подразумевают различные комбинации простых напряженных состояний (растяжения, сжатия, сдвига, кручения, изгиба). В общем случае нагружения бруса в его поперечных сечениях действуют шесть компонентов внутренних усилий (N, Qx, Qy, Мх, My, Mкр), связанные с четырьмя простыми деформациями стержня: растяжением или сжатием, сдвигом, кручением и изгибом.
В сопромате статически неопределимыми называются конструкции, в элементах которых усилия не могут быть определены из уравнений статики. Кроме уравнений статики при решении статически неопределимых задач необходимо использовать также уравнения, учитывающие деформации элементов конструкций.
Этот критерий основан на предположении, что прочность материала в общем случае напряженного состояния зависит главным образом от величины и знака наибольшего σ1 и наименьшего σ3 главных напряжений (погрешность, связанная с тем, что не учитывается σ2, обычно не превышает 12—15 %). Исходя из этого предположения любое напряженное состояние можно представить одним кругом Мора, построенным на главных напряжениях σ1и σ3.
В природе нет хрупких и пластичных материалов, а есть хрупкое и пластическое состояние материала. При изменении условий испытания один и тот же материал может разрушаться и хрупко и пластично. Например, углеродистая стать, пластичная при комнатной температуре 20°С, разрушается хрупко при температуре жидкого азота (-196°С). Чугун, хрупкий при растяжении и кручении, разрушается пластично при сжатии. При испытании на твердость на прессе Роквелла такого хрупкого материала, как мрамор, на его поверхности остается вмятина, свидетельствующая о пластической деформации.
Вероятность выхода конструкции из строя зависит как от погрешности расчетов, так и от ошибки в определении механических свойств материала. Для ее учета необходимо использовать сложные математические методы расчета надежности работы конструкции.